Смертоносная точка росы или как утонула АПЛ Трешер

10 апреля 1963 года новейшая американская атомная подводная лодка USS Thresher (SSN-593) ушла на дно Атлантики вместе со всеми 129 членами экипажа. И по сей день ее разрозненные останки покоятся на глубине 2500 м. Это была первая катастрофа атомной субмарины в истории. Официальное расследование выявило несколько причин, но одной из самых неожиданных и смертоносных оказалась… леденящая точка росы.

* Справочно. В любом воздухе, даже самом «сухом» на ощупь, всегда есть водяной пар. Точка росы — это температура, при которой этот пар начинает превращаться в воду (а если ещё холоднее — в лёд и это важно для нашей истории ).

Представьте: вы вынули из холодильника бутылку — на ней сразу появляются капли. Воздух вокруг бутылки охладился ниже своей точки росы, и влага «выпала». Утренняя роса на листьях и траве из той же оперы.

Что случилось на «Трешере»

Во время тестовых погружений на разных глубинах, лодка опустилась до большой глубины (около 400 метров), чтобы пооверить герметичность всех соединений под давлением воды. Был выявлен конструктивный недостаток - вероятнее всего, течь в машинном отделении. Реактор автоматически заглушился, тем самым обездвижив лодку. Это серьезная авария, но не катастрофа. Поскольку на этот случай предусмотрено аварийное всплытие. Если балластные цистерны, наполненные водой для балансировки плавучести, продуть воздухом, тем сам разгрузив лодку от десятков тонн веса, она буквально выпрыгивает на поверхность, даже если не работают винты. Ситуация штатная и отработанная. Чтобы срочно всплыть, экипаж так и сделал - открыл клапаны аварийной продувки балластных цистерн. Сжатый воздух высокого давления (200 - 300 атмосфер) должен был вытолкнуть воду из цистерн и поднять лодку.
Вот она - спасительная продувка ! Совсем скоро Трешер будет мерно покачиваться на поверхности океана. Рядом суда сопровождения, куда переберется экипаж.

Но через несколько секунд поток воздуха резко ослаб, а потом почти прекратился. Авария превратилась в катастрофу.

В чем же была причина ? Что могло помешать воздуху пройти по трубам ? Причем БЫСТРО ! Поскольку каждая секунда на счету. Проблема была в сочетании этого "быстро" + "узко".

Когда воздух высокого давления с огромной скоростью проходит через узкие места (редукторы, клапаны, защитные сетчатые фильтры), он резко расширяется. При расширении газ сильно охлаждается — это закон природы (адиабатическое расширение и эффект Джоуля–Томсона).

* Физика процесса.

Откройте резко шампанское и в верхней части горлышка вы увидите белесый клубящийся газ. Откуда он взялся ? Он был специально сжат под давлением внутри бодрящей праздничной жидкости при разливе, а потом резко расширился и вновь стал газом. Если в этот момент в это быстро исчезающее газовое облачко поместить термометр, то вы увидели бы, что температура действительно понизится. Причем заметно. Правда не надолго. Одна беда - если взять например пищевой термометр с длинным острым щупом, идеально подходящим для помещения в узкое горлышко, он довольно ~~туповат~~ медленно реагирует на изменение температуры из-за своей инерционности (пока датчик прогреется / охладится). Хотя, пока за несколько секунд, газ рассеится в воздухе, пару градусов снижения вам вероятно удастся заметить. Но это уже вопрос не к физике процесса (он к сожалению был доказан и в случае гибели "Трешера" - но слишком высокой ценой !) а к инструментарию - нужно выбрать другой более быстро реагирующий прибор. Например тепловизор, заранее наведя его на горлышко, включить режим записи видео (у нас таких есть несколько моделей) и зафиксировать, как газ кратковременно охладится. А где ж тут конденсация - спросите Вы ? Верно. Углекислый газ, выходящий из воды и охлажденный из-за расширения, охлаждает и окружающий воздух. Вот из него и выпадает "роса", внося значительный вклад в то самое белое мимолетное облачко.
А что будет если наоборот сжать воздух ? То он получается нагреется ? Да !!! И именно это ежесекундно происходит в миллионах дизельных двигателей по всему миру. Когда поршень движется вверх, он за 10-15 мс сжимает воздух в 15-20 раз. В результате воздух раскаляется до 500-900°C. Не нужны свечи зажигания и высоковольная часть ! В этот момент насос высокого давления впрыскивает топливо, которое мгновенно воспламеняется от перегретого воздуха, воздушно - дизельная смесь сгорает, расширяясь, толкая поршень вниз, тем самым совершая полезную работу - вращая коленчатый вал и приводя автомобиль в движение.

Но вернемся к катастрофе "Трешера".
Итак, аварийно открыты клапаны и сжатый воздух устремился выдавливать воду, чтобы обеспечить подлодке положительную плавучесть. Но воздух выходил и расширялся так быстро, что температура его падала ниже точки росы, а затем и вовсе ниже нуля. Влага, которая всегда содержится в сжатом воздухе, мгновенно превращалась сначала в воду, а потом в лёд. А вот это уже опасно !

Ох уж этот лед. 17 января 2008 года за 43 секунды перед посадкой, оба двигателя Rolls-Royce Trent 800 Boeing 777-200ER авиакомпании British Airways (рейс BA38 из Пекина в Лондон) внезапно заглохли. Пилотам удалось спланировать и успешно совершить аварийную посадку на травяное поле за 330 метров до взлетно-посадочной полосы аэропорта Хитроу. Причиной отказа стали скопления замерзших частичек льда в топливной системе. Правда в той истории все остались живы. Ну кроме сломанного шасси при жестком приземлении.

Ах, если бы каналы продувки в "Трешере" были шире ! Но нет. Лёд из мгновенно охлажденного воздуха осаждался прямо на сетках фильтров и в узких каналах трубопроводов. Образовывались ледяные пробки. Воздух почти перестал проходить. Продувка либо полностью останавливалась, либо шла короткими рывками (лёд то нарастал, то частично срывался потоком). Да, через несколько минут лед бы растаял. Но на большой глубине этих минут не было. Лодка так и не смогла приобрести положительную плавучесть, продолжала погружаться и после достижения предельной глубины была раздавлена водой под давлением, на которое она не была расчитана.

Почему это стало смертельным

Ну ладно еще узкие трубопроводы. Возможно они бы и не полностью закупорены льдом. Но катастрофе "помог" другой фактор.

В ходе расследования выяснилось, что защитные сетчатые фильтры, которые и стали местом образования ледяных пробок, вообще не должны были оставаться на готовой лодке — их ставили только на период строительства, чтобы защитить клапаны от стружки, оставшейся после механической обработки. Но на «Трешере» их, по всей видимости, не сняли...

Так что нечего кивать на точку росы. Даже в ее экстремально-низкотемпературном проявлении. Если ~~преступный~~ халатный человеческий фактор имел место.
Но как можно было установить "виновника" на такой глубине ? Где не то что льдинок след простыл, но и сам Трешер распался на тысячи фрагментов из-за ударного сжатия (имплозии), как и глубоводный аппарат "Титан", раздавленный в процессе погружения почти к своему однофамильцу - "Титанику", который и потянул его за собой в могилу в июне 2023 года. Тем не менее картинку можно было восстановить практически со 100 % достоверностью другим способом. А именно : позже на однотипной лодке Tinosa провели точно такой же полный тест аварийной продувки. Результат повторился один в один: трубы и редукторы покрылись инеем, сузив проход, тем самым расход воздуха упал катастрофически.

Чему научила эта трагедия

После гибели «Трешера» в американском подводном флоте появилась жёсткая программа SUBSAFE. Системы аварийной продувки полностью пересмотрели: убрали опасные узкие места, улучшили осушку воздуха высокого давления, ввели обязательные испытания именно в режиме полного расхода. Подобные случаи больше не повторялись. Газ конечно охлаждался, но не переходил в лед.

История «Трешера» — один из самых жёстких уроков того, как обычный физический закон, который мы встречаем каждый день (запотевшее лобовое стекло, иней на трубах), в экстремальных условиях может стать причиной гибели современного корабля и десятков людей. Ледяная Точка росы оказалась смертоносной.